2.1.3 Строение кристаллов и аллотропические превращения в металлах.

Металл состоит из большого числа мелких кристаллитов (зёрен). Кристаллические решетки отдельных зерен ориентированы относительно друг друга случайным образом. Такое твердое тело называется поликристаллом. Поверхности раздела зёрен называются границами. Если расплавленный металл медленно охлаждать, то можно получить монокристалл – единичный кристалл с непрерывной кристаллической решеткой.

Природные кристаллы не располагают строгим расположением атомов, то есть имеют отклонения, называемые дефектами.

Дефекты могут быть точечными, линейными (одномерными), поверхностными (двумерными) и объемными (трехмерными).

К точечным дефектам относятся пустые узлы (вакансии) (рисунок 2.4, а) в кристаллической решетке; межузельные атомы — атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки (рисунок 2.4, б); привесные атомы, которые могут замещать атомы основного металла.

К линейным дефектам относят дислокации — линии, вдоль и вблизи которых нарушено правильное расположение атомных плоскостей, в результате чего возникает сдвиг кристаллической решетки (рисунок 2.4, в).

Рисунок 2.4 Дефекты кристаллических решеток металлов

Поверхностными дефектами считаются субзерна (блоки) (рисунок 2.4, г) и различная ориентация кристаллических решеток (рисунок 2.4, д).

Объемные дефекты характеризуются размерами в трех измерениях. К ним относятся трещины, поры и т. д.

Атомы находятся в непрерывном движении около равновесного равновесного положения, т. е. происходит колебание, амплитуда которого с повышением температуры увеличивается.

Это вызывает расширение кристаллов, а при достижении температуры плавления колебания усиливаются настолько, что кристаллическая решетка разрушается.

Во многих металлах при изменении температуры происходит перегруппировка атомов, кристаллическая решетка одного вида переходит в другой вид. Это называется аллотропией или полиморфизмом.

Различные кристаллические формы одного металла называ­ются аллотропическими или полиморфными модификациями и обозначаются начальными буквами греческого алфавита (α, β, γ, δ ит. д.):

α обозначает модификацию, существующую при самой низкой температуре;

β – модификацию с более высокой температурой и т. д.

Аллотропическое превращение происходит при постоянной температуре и сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации при охлаждении (или поглощением при нагревании). Аллотропический процесс на кривой нагревания/охлаждения изображается горизонтальной линией.

Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. На рисунке 2.5 показаны характеристики полиморфного процесса для чистого железа. При нагревании фазовые превращения сопровождаются выделением теплоты.

Рисунок 2.5 Кривые нагревания/охлаждения при полиморфном

Процессе для чистого железа

Железо может существовать в нескольких модификациях. До температуры 910°С железо имеет объемно центрированную кубическую решетку (α -железо), при температуре 768°С на кривой нагревания/охлаждения видна ступень, которая вызвана не перестройкой решетки, а потерей железом магнитных свойств. При температуре выше 910°С — α-железо.

В интервале температур 910—1400°С железо имеет гранецентрированную кубическую решетку (γ-железо). Высокотемпературная модификация железа, устойчивая при температурах от 1400 до 1539°С, имеет также объемно-центрированную кубическую решетку, но называется δ-железо.

Подобные аллотропические превращения происходят и с другими металлами, но при иных критических температурах.

2.1.4 Свойства металлов и сплавов. Свойства металлов и сплавов можно сгруппировать по разным признакам.

Физические свойства материалов (их показатели):

• цвет;

• плотность;

• теплопроводность;

• температура плавления;

• электропроводность;

• магнетизм;

• расширение при нагревании.

К химическим свойствам материалов относится межатомное взаимодействие материала с другими веществами.

Механические свойства материалов:

• прочность;

• твердость;

• упругость;

• пластичность;

• вязкость.

Рассмотрим подробнее понятия этих свойств.

Физические свойства.

Цвет металла (сплава) является одним из показателей, позволяющих судить о его свойствах. При нагревании металла по цвету поверхности можно примерно определить, до какой температуры он нагрет. Это используется при сварочных работах. Однако некоторые металлы (например, алюминий) при на­гревании не изменяют цвет. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем неокисленного.

Плотность – отношение массы вещества к его объему. Плотность материала является одной из важнейших его характеристик, которая учитывается при проектировании, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими.

Теплопроводность (теплообмен) – способность материала переносить тепловую энергию при неравномерном нагревании, имеет атомно-молекулярный характер, измеряется в Вт/(м * К).

Температура плавления – температура, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы имеют постоянную температуру плавления.

Электропроводность – способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля. Так как в автомобилях и других транспортных средствах используются в основном металлические детали, электрическая сеть автомобилей выполняется по однопроводной схеме, вторым проводом является сам автомобиль, т. е. его «масса».

Магнитные свойства металлов широко используются в электрооборудовании автомобиля (генераторе, системе зажигания, электродвигателях, контрольно-измерительных приборах).

Способность металлов расширяться при нагревании – важное свойство, которое также учитывается при конструировании. Например, при сварке происходит местное нагревание лишь небольшого участка, и так как деталь в различ­ных частях имеет не одинаковую температуру, то она деформируется. Детали, изготовленные из разных материалов, при нагревании расширяются по-разному. Это тоже может привести к деформациям и даже к разрушению конструкции.

Усадка – уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. Вследствие усадки сварного шва, например, происходит коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Чем больше усадка, тем труднее получить качественное соединение.

Механические свойства.

Механические свойства материалов, как правило, являются основными показателями, которые определяют его пригодность в различных условиях эксплуатации.

Прочность – способность материала в определенных условиях и пределах не разрушаться, воспринимая те или иные воздействия (нагрузки, неравномерное нагревание, магнитные и электрические поля).

Твердость – способность материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

Упругость – свойство тела восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешней силы (нагрузки, нагревания). Большой упругостью, например, должны обладать рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.

Пластичность – способность тела необратимо изменять форму (деформи-роваться) под действием механических нагрузок. Пластичность – свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность металла, тем он легче куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстро возраста-ющим (ударным) нагрузкам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали несущей системы, подвески, колес автомобилей).

Химические свойства.

Химические свойства металлов характеризуют их способность вступать в соединение с различными веществами (химическими элементами), и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с различными химическими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов вслед-ствие химического воздействия среды называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали: коррозионно- и кислотостойкие.

Технологические свойства.

Совокупность физических, механических и химических свойств оказывает влияние на технологические свойства материала.

Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.

Свариваемость – свойство металлов создавать доброкачественные соедине-ния при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним мето­дом и неудовлетворительно – другим. Например, дюралюминий хорошо сваривается точечной сваркой и плохо – газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо – дуговой и т. д.

Жидкотекучесть – способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литейную форму.

Ковкость – способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.

Обрабатываемость резанием – способность металла обрабатываться путем механической обработки (резание, фрезерование и т. д.), т. е. острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.).

Контрольные вопросы:

1. Что такое элементарная ячейка кристаллической решетки?

2. По какому признаку кристаллические решётки подразделяются на сингонии?

3. Какие виды решёток в основном присущи металлам?

4. Какие виды дефектов кристаллических решёток вам известны?

5. Что такое «аллотропия металлов»?

6. Назовите основные группы свойств металлов и сплавов.

7. Какие свойства относятся к физическим? механическим? химическим? технологическим